HARDI Methods: tractography reconstructions and automatic parcellation of brain connectivity

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiações em Diagnóstico e Terapia), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012A neuroanatomia humana tem sido objecto de estudo científico desde que surgiu o interesse na organização do corpo humano e nas suas funções, quer como um todo quer através das partes que o constituem. Para atingir este fim, as autópsias foram a primeira forma de revelar algum conhecimento, o qual tem vindo a ser catalogado e sistematizado à medida que a medicina evolui. Passando por novas técnicas de conservação e tratamento de tecido humano, de que são exemplo as dissecções de Klinger, nas quais se fazem secções de material conservado criogenicamente, bem como por estudos histológicos através da utilização de corantes, conseguiu-se uma forma complementar de realizar estes estudos. Permanecia, no entanto, a impossibilidade de analisar in vivo a estrutura e função dos diferentes sistemas que constitutem o Homem. Com o surgimento das técnicas imagiológicas o diagnóstico e monitorização do corpo humano, bem como das patologias a ele associadas, melhoraram consideravelmente. Mais recentemente, com o aparecimento da ressonância magnética (MRI: do Inglês "Magnetic Resonance Imaging"), tornou-se possível estudar as propriedades magnéticas do tecido, reflectindo as suas características intrínsecas com base na aplicação de impulsos de radiofrequência. Através de ressonância magnética é possível estudar essas propriedades em vários núcleos atómicos, sendo mais comum o estudo do hidrogénio, pois somos maioritariamente consistituídos por água e gordura. Uma vez que só é possível medir variações do campo magnético, aplicam-se impulsos de radiofrequência para perturbar o equilíbrio dos spins e medir os seus mecanismos de relaxação, os quais, indirectamente, reflectem a estrutura do tecido. Contudo, o sinal medido é desprovido de qualquer informação espacial. De facto, para podermos proceder a essa quantificação, é necessária a utilização de gradientes de campo magnético, que permitem modificar localmente a frequência de precessão dos protões, através da alteração local do campo magnético, permitindo assim, adquirir o sinal de forma sequencial. A informação obtida constitui uma função variável no espaço e através da transformação de Fourier pode ser quantificada em frequências espaciais, sendo estes dados armazenados no espaço k. O preencimento deste espaço, caracterizado por frequências espaciais, bem como os gradientes de campo magnético que são aplicados, permitem determinar a resolução da imagem que podemos obter, aplicando uma transformação de Fourier inversa. O estudo da ressonância magnética não se restringe à análise da estrutura mas também ao estudo da função e difusão das moléculas de água. A difusão é um processo aleatório, que se traduz pelo movimento térmico das moléculas de água, e o seu estudo permite inferir sobre o estado do tecido e microestrutura associada, de uma forma não invasiva e in vivo. A técnica de imagiologia de ressonância magnética ponderada por difusão (DWI: do Inglês "Diffusion Weighted Imaging") permite o estudo da direccionalidade das moléculas de água e extracção de índices que reflectem directamente a integridade dos tecidos biológicos. De modo a sensibilizar as moléculas de água à difusão, é necessário aplicar sequências de ressonância magnética modificadas, nas quais se aplicam gradientes de campo magnético de difusão para quantificar o deslocamento das moléculas e a sua relação com o coeficiente de difusão das mesmas. Num ambiente livre e sem barreiras a difusão das moléculas de água é isotrópica, uma vez que se apresenta igual em todas as direcções. Todavia, tal não se verifica no corpo humano. A presença destas barreiras leva a que, na verdade, apenas possa ser medido um coeficiente de difusão aparente. Este, por sua vez, traduz a interacção entre as moléculas de água com a microestrutura e, como tal, uma anisotropia na sua difusão. Como caso particular de difusão anisotrópica a nível cerebral, tem-se a difusão das moléculas de água na matéria branca, uma vez que esta apresenta uma direccionalidade preferencial de acordo com a orientação dos axónios, visto estarem presentes menos restrições à sua propagação, ao contrário do que acontece com a direcção perpendicular (devido à membrana celular e às bainhas de mielina). Por oposição, a matéria cinzenta, constituída pelo aglomerado dos corpos celulares dos neurónios, e o líquido cefalorraquidiano apresentam uma difusão sem direcção preferencial (i.e. aproximadamente isotrópica). A informação obtida através da difusão das moléculas de água encontra-se limitada pelo número de direcções segundo o qual aplicamos os gradientes de difusão. Deste modo, surgiu a imagiologia por tensor de difusão (DTI: do Inglês "Diffusion Tensor Imaging"). Esta técnica permite extrair informação acerca da tridimensionalidade da distribuição da difusão de moléculas de água através da aplicação de seis gradientes de difusão não colineares entre si. A distribuição destas moléculas pode, então, ser vista como um elipsóide, no qual o principal vector próprio do tensor representa a contribuição da difusão das moléculas segundo a direcção do axónio (ou paralela), sendo os dois restantes componentes responsáveis pela contribuição transversal. Além da difusividade média (MD: do Inglês "Mean Diffusivity") e das contribuições da difusão paralela (MD//) e perpendicular (MD ) às fibras, é também possível extrair outros índices, como a anisotropia fraccional (FA: do Inglês "Fractional Anisotropy"), que fornece informação acerca da percentagem de difusão anisotrópica num determinado voxel. Para a matéria branca, tal como já foi referido, existe difusão preferencial e, portanto, a anisotropia fraccional será elevada. Por outro lado, para a matéria cinzenta e para o líquido cefalorraquidiano, verificar-se-á uma FA reduzida, devido à ausência de anisotropia. Todavia, regiões com reduzida anisotropia fraccional podem camuflar regiões de conformação de cruzamento de fibras, ou fibras muito anguladas, que a imagiologia por tensor de difusão não consegue resolver. A razão para esta limitação reside no número reduzido de diferentes direcções de difusão que são exploradas, assim como o pressuposto de que a distribuição das moléculas de água é Gaussiana em todo o cérebro, o que não é necessariamente verdade. A fim de se ultrapassar estas limitações, novas técnicas surgiram, nomeadamente as de elevada resolução angular (HARDI: do Inglês "High Angular Resolution Diffusion Imaging"). Estas fazem uso de uma aquisição em função de múltiplas direcções de gradiente e de uma diferente modelação dos dados obtidos, dividindo-se em dois tipos. As técnicas livres de modelos permitem extrair uma função de distribuição da orientação das fibras num determinado voxel directamente do sinal e/ou transformações da função densidade de probabilidade do deslocamento das moléculas de água. Contrariamente, as técnicas baseadas em modelos admitem existir determinados constrangimentos anatómicos e que o sinal proveniente de um determinado voxel é originado por um conjunto de sinais individuais de fibras, caracterizados por uma distribuição preferencial das direcções das fibras. Todos estes métodos têm como objectivo principal recuperar a direcção preferencial da difusão das moléculas de água e reconstruir um trajecto tridimensional que represente a organização das fibras neuronais, pelo que se designam métodos de tractografia. Esta representa a única ferramenta não invasiva de visualização in vivo da matéria branca cerebral e o seu estudo tem revelado uma grande expansão associada ao estabelecimento de marcador biológico para diversas patologias. Adicionalmente, esta técnica tem vindo a tornar-se uma modalidade clínica de rotina e de diversos protocolos de investigação, sendo inclusivamente utilizada para complementar o planeamento em cirurgia, devido à natureza dos dados que gera. Particularmente no caso de dissecções manuais, nas quais os dados de tractografia são manuseados por pessoal especializado, com vista a realizar a parcelização de diferentes tractos de interesse, o processo é moroso e dependente do utilizador, revelando-se necessária a automatização do mesmo. Na realidade, já existem técnicas automáticas que fazem uso de algoritmos de agregação1, nos quais fibras são analisadas e agrupadas segundo características semelhantes, assim como técnicas baseadas em regiões de interesse, em que se extraem apenas os tractos seleccionados entre as regiões escolhidas. O objectivo principal desta dissertação prende-se com a análise automática de dados de tractografia, bem como a parcelização personalizada de tractos de interesse, também esta automática. Em primeiro lugar, foi desenvolvido um algoritmo capaz de lidar automaticamente com funções básicas de carregamento dos ficheiros de tractografia, o seu armazenamento em variáveis fáceis de manusear e a sua filtragem básica de acordo com regiões de interesse de teste. Neste processo de filtragem é feita a avaliação das fibras que atravessam a região de interesse considerada. Assim, após a localização das fibras entre as regiões de interesse os tractos resultantes podem ser guardados de duas formas, as quais têm, necessariamente, que ser especificadas antes de utilizar o software: um ficheiro que contém todas as fibras resultantes da parcelização e outro que contém o mapa de densidade associado, isto é, o número de fibras que se encontra em cada voxel. Após esta fase inicial, a flexibilidade e complexidade do software foi aumentando, uma vez que foram implementados novos filtros e a possibilidade de utilizar regiões de interesse de diferentes espaços anatómicos padrão. Fazendo uma análise a esta última melhoria, pode referir-se que, através de um procedimento de registo não linear da imagem anatómica do espaço padrão ao espaço individual de cada sujeito, foi possível, de forma automática, guardar o campo de deformações que caracteriza a transformação e, assim, gerar regiões de interesse personalizadas ao espaço do sujeito. Estas regiões de interesse serviram depois para a parcelização básica e para seleccionar tractos, mas também para filtragens adicionais, como a exclusão de fibras artefactuosas2 e um filtro especial, no qual apenas os pontos que ligam directamente as diferentes regiões são mantidos. Além do que já foi referido, recorreu-se também à aplicação de planos de interesse que actuam como constrangimentos neuroanatómicos, o que não permite, por exemplo, no caso da radiação óptica, que as fibras se propaguem para o lobo frontal. Esta ferramenta foi utilizada com sucesso para a parcelização automática do Fascículo Arcuado, Corpo Caloso e Radiação Óptica, tendo sido feita a comparação com a dissecção manual, em todos os casos. O estudo do Fasciculo Arcuado demonstrou ser o teste ideal para a ferramenta desenvolvida na medida que permitiu identificar o segmento longo, assim como descrito na literatura. O método automático de duas regiões de interesse deu a origem aos mesmos resultados obtidos manualmente e permitiu confirmar a necessidade de estudos mais aprofundados. Aumentando a complexidade do estudo, realizou-se a parcelização do Corpo Caloso de acordo com conectividade estrutural, isto é, com diferentes regiões envolvidas em funções distintas. Procedeu-se deste modo, e não com base em informação acerca de divisões geométricas, uma vez que estas já demonstraram incongruências quando correlacionadas com subdivisões funcionais. O uso adicional de regiões de interesse para a exclusão de fibras demonstrou-se benéfico na obtenção dos mapas finais. Finalmente, incluiu-se a utilização de um novo filtro para realizar a parcelização da Radiação Óptica, comparando os resultados para DTI e SD(do Inglês "Spherical Deconvolution"). Foi possível determinar limitações na primeira técnica que foram, no entanto, ultrapassadas pela utilização de SD. O atlas final gerado apresenta-se como uma mais-valia para o planeamento cirúrgico num ambiente clínico. O desenvolvimento desta ferramenta resultou em duas apresentações orais em conferências internacionais e encontra-se, de momento, a ser melhorada, a fim de se submeter um artigo de investigação original. Embora se tenha chegado a um resultado final positivo, tendo em conta a meta previamente estabelecida, está aberto o caminho para o seu aperfeiçoamento. Como exemplo disso, poder-se-á recorrer ao uso combinado das duas abordagens de parcelização automática e à utilização de índices específicos dos tractos, o que poderá trazer uma nova força à delineação dos tractos de interesse. Adicionalmente, é também possível melhorar os algoritmos de registo de imagem, tendo em conta a elevada variabilidade anatómica que alguns sujeitos apresentam. Como nota final, gostaria apenas de salientar que a imagiologia por difusão e, em particular, a tractografia, têm ainda muito espaço para progredir. A veracidade desta afirmação traduz-se pela existência de uma grande variedade de modelos e algoritmos implementados, sem que, no entanto, exista consenso na comunidade científica acerca da melhor abordagem a seguir.Diffusion weighted imaging (DWI) has provided us a non-invasive technique to determine physiological information and infer about tissue microstructure. The human body is filled with barriers affecting the mobility of molecules and preventing it from being constant in different directions (anisotropic diffusion). In the brain, the sources for this anisotropy arise from dense packing axons and from the myelin sheath that surrounds them. Only with Diffusion Tensor Imaging (DTI) it was possible to fully characterize anisotropy by offering estimations for average diffusivities in each voxel. However, these methods were limited, not being able to reflect the index of anisotropic diffusion in regions with complex fibre conformations. It was possible to reduce those problems through the acquisition of many gradient directions with High Angular Resolution Diffusion Imaging (HARDI). There are model-free approaches such as Diffusion Spectrum Imaging (DSI) and Q-ball Imaging (QBI) which retrieve an orientation distribution function (ODF) directly from the water molecular displacement. Another method is Spherical Deconvolution, which is a model-based approach based on the computation of a fibre orientation distribution (FOD) from the deconvolution of the diffusion signal and a chosen fibre response function. Reconstructing the fibre orientations from the diffusion profile, generates a three-dimensional reconstruction of neuronal fibres (Tractography) whether in a deterministic, probabilistic or global way. Tractography has two main purposes: non-invasive and in vivo mapping of human white matter and neurosurgical planning. In order to achieve those purposes it is common to apply parcellation techniques which can be subdivided into ROI-based or Clustering base. The aim of this project is to develop an automated method of tract-based parcellation of different brain regions. This tool is essential to retrieve information about the architecture and connectivity of the brain, overcoming time consuming and expertise related issues derived from manual dissections. Firstly we investigated basic functions to handle diffusion and tractography data. In particular, we focused on how to load track files, filter them according to regions of interest and save the output in different formats. Results were always compared with manual dissection. The developed tool increased complexity by introduction a new filtering and the use of regions of interest from different standard spaces, created trough non-linear registrations. Three major tracts of interest were analysed: Arcuate Fasciculus, Corpus Callosum and Optic Radiation

In vivo probabilistic atlas of white matter tracts of the human subthalamic area combining track density imaging and optimized diffusion tractography

The human subthalamic area is a region of high anatomical complexity, tightly packed with tiny fiber bundles. Some of them, including the pallidothalamic, cerebello-thalamic, and mammillothalamic tracts, are relevant targets in functional neurosurgery for various brain diseases. Diffusion-weighted imaging-based tractography has been suggested as a useful tool to map white matter pathways in the human brain in vivo and non-invasively, though the reconstruction of these specific fiber bundles is challenging due to their small dimensions and complex anatomy. To the best of our knowledge, a population-based, in vivo probabilistic atlas of subthalamic white matter tracts is still missing. In the present work, we devised an optimized tractography protocol for reproducible reconstruction of the tracts of subthalamic area in a large data sample from the Human Connectome Project repository. First, we leveraged the super-resolution properties and high anatomical detail provided by short tracks track-density imaging (stTDI) to identify the white matter bundles of the subthalamic area on a group-level template. Tracts identification on the stTDI template was also aided by visualization of histological sections of human specimens. Then, we employed this anatomical information to drive tractography at the subject-level, optimizing tracking parameters to maximize between-subject and within-subject similarities as well as anatomical accuracy. Finally, we gathered subject level tracts reconstructed with optimized tractography into a large-scale, normative population atlas. We suggest that this atlas could be useful in both clinical anatomy and functional neurosurgery settings, to improve our understanding of the complex morphology of this important brain region

Cortical Terminations of the Inferior Fronto-Occipital and Uncinate Fasciculi: Anatomical Stem-Based Virtual Dissection

International audienceWe combined the neuroanatomists' approach of defining a fascicle as all fibers passing through its compact stem with diffusion-weighted tractography to investigate the cortical terminations of two association tracts, the inferior fronto-occipital fasciculus (IFOF) and the uncinate fasciculus (UF), which have recently been implicated in the ventral language circuitry. The aim was to provide a detailed and quantitative description of their terminations in 60 healthy subjects and to do so to apply an anatomical stem-based virtual dissection, mimicking classical post-mortem dissection, to extract with minimal a priori the IFOF and UF from tractography datasets. In both tracts, we consistently observed more extensive termination territories than their conventional definitions, within the middle and superior frontal, superior parietal and angular gyri for the IFOF and the middle frontal gyrus and superior, middle and inferior temporal gyri beyond the temporal pole for the UF. We revealed new insights regarding the internal organization of these tracts by investigating for the first time the frequency, distribution and hemispheric asymmetry of their terminations. Interestingly, we observed a dissociation between the lateral right-lateralized and medial left-lateralized fronto-occipital branches of the IFOF. In the UF, we observed a rightward lateralization of the orbito-frontal and temporal branches. We revealed a more detailed map of the terminations of these fiber pathways that will enable greater specificity for correlating with diseased populations and other behavioral measures. The limitations of the diffusion tensor model in this study are also discussed. We conclude that anatomical stem-based virtual dissection with diffusion tractography is a fruitful method for studying the structural anatomy of the human white matter pathways

Tractography dissection variability: What happens when 42 groups dissect 14 white matter bundles on the same dataset?

White matter bundle segmentation using diffusion MRI fiber tractography has become the method of choice to identify white matter fiber pathways in vivo in human brains. However, like other analyses of complex data, there is considerable variability in segmentation protocols and techniques. This can result in different reconstructions of the same intended white matter pathways, which directly affects tractography results, quantification, and interpretation. In this study, we aim to evaluate and quantify the variability that arises from different protocols for bundle segmentation. Through an open call to users of fiber tractography, including anatomists, clinicians, and algorithm developers, 42 independent teams were given processed sets of human whole-brain streamlines and asked to segment 14 white matter fascicles on six subjects. In total, we received 57 different bundle segmentation protocols, which enabled detailed volume-based and streamline-based analyses of agreement and disagreement among protocols for each fiber pathway. Results show that even when given the exact same sets of underlying streamlines, the variability across protocols for bundle segmentation is greater than all other sources of variability in the virtual dissection process, including variability within protocols and variability across subjects. In order to foster the use of tractography bundle dissection in routine clinical settings, and as a fundamental analytical tool, future endeavors must aim to resolve and reduce this heterogeneity. Although external validation is needed to verify the anatomical accuracy of bundle dissections, reducing heterogeneity is a step towards reproducible research and may be achieved through the use of standard nomenclature and definitions of white matter bundles and well-chosen constraints and decisions in the dissection process

Analyse et reconstruction de faisceaux de la matière blanche

L'imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd) est une modalité d'acquisition permettant de sonder les tissus biologiques et d'en extraire une variété d'informations sur le mouvement microscopique des molécules d'eau. Plus spécifiquement à l'imagerie médicale, l'IRMd permet l'investigation des structures fibreuses de nombreux organes et facilite la compréhension des processus cognitifs ou au diagnostic. Dans le domaine des neurosciences, l'IRMd est cruciale à l'exploration de la connectivité structurelle de la matière blanche. Cette thèse s'intéresse plus particulièrement à la reconstruction de faisceaux de la matière blanche ainsi qu'à leur analyse. Toute la complexité du traitement des données commençant au scanneur jusqu'à la création d'un tractogramme est extrêmement importante. Par contre, l'application spécifique de reconstruction des faisceaux anatomiques plausibles est ultimement le véritable défi de l'IRMd. L'optimisation des paramètres de la tractographie, le processus de segmentation manuelle ou automatique ainsi que l'interprétation des résultats liée à ces faisceaux sont toutes des étapes du processus avec leurs lots de difficultés

Bayesian Estimation of White Matter Atlas from High Angular Resolution Diffusion Imaging

We present a Bayesian probabilistic model to estimate the brain white matter atlas from high angular resolution diffusion imaging (HARDI) data. This model incorporates a shape prior of the white matter anatomy and the likelihood of individual observed HARDI datasets. We first assume that the atlas is generated from a known hyperatlas through a flow of diffeomorphisms and its shape prior can be constructed based on the framework of large deformation diffeomorphic metric mapping (LDDMM). LDDMM characterizes a nonlinear diffeomorphic shape space in a linear space of initial momentum uniquely determining diffeomorphic geodesic flows from the hyperatlas. Therefore, the shape prior of the HARDI atlas can be modeled using a centered Gaussian random field (GRF) model of the initial momentum. In order to construct the likelihood of observed HARDI datasets, it is necessary to study the diffeomorphic transformation of individual observations relative to the atlas and the probabilistic distribution of orientation distribution functions (ODFs). To this end, we construct the likelihood related to the transformation using the same construction as discussed for the shape prior of the atlas. The probabilistic distribution of ODFs is then constructed based on the ODF Riemannian manifold. We assume that the observed ODFs are generated by an exponential map of random tangent vectors at the deformed atlas ODF. Hence, the likelihood of the ODFs can be modeled using a GRF of their tangent vectors in the ODF Riemannian manifold. We solve for the maximum a posteriori using the Expectation-Maximization algorithm and derive the corresponding update equations. Finally, we illustrate the HARDI atlas constructed based on a Chinese aging cohort of 94 adults and compare it with that generated by averaging the coefficients of spherical harmonics of the ODF across subjects

The white matter query language: a novel approach for describing human white matter anatomy

International audienceWe have developed a novel method to describe human white matter anatomy using an approach that is both intuitive and simple to use, and which automatically extracts white matter tracts from diffusion MRI vol¬umes. Further, our method simplifies the quantification and statistical analysis of white matter tracts on large diffusion MRI databases. This work reflects the careful syntactical definition of major white matter fiber tracts in the human brain based on a neuroanatomist's expert knowledge. The framework is based on a novel query language with a near-to-English textual syntax. This query language makes it possible to construct a dictionary of anatomical definitions that describe white matter tracts. The definitions include adjacent gray and white matter regions, and rules for spatial relations. This novel method makes it possible to automatically label white matter anatomy across subjects. After describing this method, we provide an example of its implementation where we encode anatomical knowledge in human white matter for 10 association and 15 projection tracts per hemisphere, along with 7 commissural tracts. Importantly, this novel method is comparable in accuracy to manual labeling. Finally, we present results applying this method to create a white matter atlas from 77 healthy subjects, and we use this atlas in a small proof-of-concept study to detect changes in association tracts that characterize schizophrenia

Klingler’s method of brain dissection: review of the technique including its usefulness in practical neuroanatomy teaching, neurosurgery and neuroimaging

Klingler’s technique was discovered in the 1930s. It is a modified method of brain fixation and dissection, based on freezing and thawing of the brain tissue, subsequent peeling away of white matter fibres and the gradual exposure of white matter tracts. The added value of this technique is that it is carried out in a stratigraphic manner. This fact makes it an invaluable tool for an in-depth understanding of the complex anatomical organisation of the cerebral hemispheres. The purpose of this paper is to provide a review of Klingler’s method while taking into account the original description of the technique and its value for medical training. The historical background, the concise outline of white matter organisation, as well as our own experience in using this procedure for research and teaching activities were also included. The fibre dissection technique may still be considered an excellent complementary research tool for neuroanatomical studies. Numerous detailed observations about the white matter topography and spatial organisation have been recently made by applying this method. Using this technique may also improve understanding of the three-dimensional intrinsic structure of the brain, which is particularly important both in under- and postgraduate training in the field of neuroanatomy